3D AVEC ANSYS
Nous décrivons comment réaliser la modélisation et l’analyse en éléments finis d’un problème de contact mécanique avec le logiciel ANSYS. Nous présentons un problème de contact entre une membrane plane et lisse et une ligne de contact plane et rugueuse.
Le cas étudié est un problème de contact rigide à flexible comportant des matériaux aux propriétés élastiques. La surface supérieure de la ligne est identifiée comme surface de « CONTACT », alors que la surface créée juste en contact (membrane) et au dessus de la surface de contact est identifiée comme la surface cible « TARGET ».
Le corps rugueux déformable est modélisé en utilisant des éléments structurels tétraédriques SOLID187, qui sont définis par 10 nœuds ayant 3 degrés de liberté à chaque nœud : translations dans les directions nodales x, y, z. L’éléments SOLID187, illustré sur la figure 1, est bien adapté pour modéliser les maillages irréguliers et peut prendre en compte les effets de plasticité, de fluage, de grands déplacements et de grandes déformations.
Figure F.1 : Géométrie de l’élément SOLID187
Figure F.2 : modélisation du solide rugueux déformable avec les éléments SOLID187
TARGE170 est utilisé pour représenter la surface « cible » 3D et est associé avec l’élément de contact (CONTA174). Les éléments de contact recouvrent le modèle éléments finis sous‐ jacent comme une peau et peuvent entrer en contact avec la surface cible, définie par les éléments TARGE170. La paire de contact constituée des éléments contact et des éléments
cibles est identifiée par un jeu de constantes (rigidité de contact, tolérance de pénétration…). Il est possible d’imposer des translations, rotations, température, tension, potentiel magnétique, ainsi que des forces et moments sur les éléments cibles.
La surface de contact est définie par un ensemble de points de contact discrets (points de Gauss des éléments) et la surface cible est définie comme une surface continue. Les deux surfaces peuvent s’interpénétrer entre les points de Gauss sans que le contact soit reconnu. Ceci est cause d’imprécisions. Élément de cible rigide Éléments de contact Figure F.3 : modélisation des éléments surface-à-surface
Afin de limiter tout mouvement de la base du solide, les nœuds appartenant au plan xy à z=0 sont contraints rigidement dans la direction z, alors que l’indenteur ne peut se déplacer que dans la direction z. Chaque analyse consiste en une seule étape de chargement avec un nombre minimal et maximal de sous‐étapes fixé à 10 et 100 respectivement. Pour chaque sous‐étape, un maximum de 30 itérations d’équilibre (solutions de correction pour obtenir une convergence à chaque sous‐étape) est permis. Pour éviter une distorsion des éléments, ANSYS utilise une méthode de bissection pour augmenter le nombre de sous‐étapes de charge de telle sorte que la charge puisse être appliquée à un niveau plus bas. Dans notre approche, une force est appliquée sur l’indenteur et permet de le mouvoir progressivement (de manière incrémentale) vers la surface de contact. Un nœud est considéré comme étant en contact lorsque la distance le séparant du plan s’annule.
AUTEUR : Fabienne PENNEC
TITRE : Modélisation du contact métal‐métal: application aux microcommutateurs MEMS RF DIRECTEUR DE THESE : Patrick PONS
LIEU ET DATE DE SOUTENANCE : LAAS-CNRS Toulouse, le 26 juin 2009
_________________________________________________________________________________
L’insertion des microcommutateurs MEMS RF nécessite une tension d’actionnement et des dimensions toujours plus petites, ce qui confère davantage d’importance aux effets de surfaces, si bien qu’une des principales limitations des performances des microcommutateurs est la qualité du contact et sa fiabilité. Dans ce contexte, nous avons développé un outil de calcul de la résistance de contact électrique de microcommutateurs MEMS RF à contact ohmique. La finalité de l’outil sera l’étude de l’impact des matériaux, de l’état de surface, de la topologie de contact pour augmenter les performances de contact. Un tour d’horizon des différentes méthodes existantes (analytique, numérique, expérimentale) pour analyser le contact mécanique puis électrique de surfaces rugueuses a tout d’abord été réalisé. Puis nous avons conçu et fabriqué deux types de véhicules de test, à actionnement mécanique et à actionnement électrostatique afin de pouvoir tester la méthodologie de modélisation du contact mise en œuvre. L’originalité de cette méthodologie repose sur une nouvelle approche utilisant la méthode d’ingénierie inverse pour générer la forme réelle de la surface. Les progrès apportés sur les logiciels de calcul rendent possible l’implantation de profils réels de surface issus de la caractérisation. L’analyse du contact mécanique est ensuite réalisée à travers des simulations numériques de contact avec le logiciel multiphysique éléments finis ANSYS 11. Cette analyse mécanique est suivie d’une analyse électrique, basée sur des formulations analytiques issues de la théorie du contact électrique et utilisant les résultats de l’analyse précédente. Les surfaces de contact des structures de test sont acquises à l’AFM afin de tester l’outil de calcul. Les résultats obtenus avec la nouvelle méthodologie restent éloignés des mesures expérimentales de résistance de contact. Ces écarts étaient prévisibles tant il est difficile d’une part de prendre en compte tous les paramètres affectant la valeur de la résistance (effet thermique, présence d’un film isolant sur l’interface de contact, phénomène de fluage) dans le modèle, et tant il est difficile d’autre part d’évaluer avec précision les propriétés des matériaux de contact.
MOTS‐CLES microcommutateur MEMS RF, contact, rugosité, résistance électrique, non‐
linéarités, AFM, ANSYS, matériau élastoplastique, méthode des éléments finis
MODELING OF METAL‐TO‐METAL CONTACT: APPLICATION TO RF MEMS MICROSWITCHES
The insertion of RF MEMS micro-switches into real architecture necessitates reduced actuation voltage and dimensions that gives more importance to surface effects. Therefore most of the limitations are related to the quality of the contact and the reliability. In this context, a tool for calculating the electrical contact resistance of DC contact micro-switches has been developed. The tool will be very efficient for investigating the impact of materials, roughness and topology on the quality and the contact performances. Firstly an overview of the different available methods (analytical, numerical, experimental) to analyze the mechanical and electrical contact of rough surfaces has been performed. Then we have designed and fabricated two architectures of test structures, one with mechanical actuation and the other with electrostatic actuation in order to validate the contact modeling methodology that we implement. The originality of this work relies on a novel approach by using a reverse engineering method to generate the real shape of the surface. The mechanical contact analysis is then performed through finite element multi-physic simulation using ANSYS 11 platform. The mechanical analysis is completed with an electrical analysis, using analytical formulations derived from electrical contact theories and referring to the previous mechanical results. We use the AFM to capture 3D data points of contact surfaces on test structures to test the calculation tool. The obtained results with the novel methodology are not in very good agreement with the experimental measurement of contact resistance. These discrepancies were expectable and are related to the difficulties to take into account all parameters that affect the contact resistance value (thermal conduction, contaminant layers on the contact surfaces, creep effects) in the model. Moreover it is often delicate to evaluate precisely the contact material properties.
KEYWORDS RF MEMS micro‐switch, contact, roughness, electrical resistance, non linearity, AFM, ANSYS, elastic‐plastic material, finite element method
DISCIPLINE : Conception des Circuits Microélectroniques et Microsystèmes
_________________________________________________________________________________ INTITULE ET ADRESSE DU LABORATOIRE : LAAS‐CNRS ‐ 7, avenue du Colonel Roche – 31077 TOULOUSE CEDEX